Паросиловой цикл Ренкин

1. Введение

1.1 Схема паросилового цикла Ренкина с перегревом пара

1.2 Термодинамические процессы

2. Задание на проектирование

2.1 Данные для расчета

2.2 Агрегатное состояние рабочего тела

3. Расчет параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла

4. Расчет потерь энергии (работоспособности) рабочего тела в процессах цикла (элементах установки)

5. Эксергетический анализ исследуемого цикла

6. Вывод Список литературы

1. Введение

Ренкина цикл, идеальный термодинамический цикл (Круговой процесс), в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту); принимается в качестве теоретической основы для приближённого расчёта реальных циклов, осуществляемых в паросиловых установках (энергетическая установка, обычно состоящая из паровых котлов (парогенераторов) и паровых двигателей (паровых машин или паровых турбин) для пароходов, паровозов, паровых автомобилей или электрических генераторов (тепловых и атомных электростанций).Назван по имени У. Дж. Ранкина, одного из создателей технической термодинамики.

Известно, что большая часть мировых энергетических ресурсов направляется на выработку электроэнергии и работу транспорта, где бесчисленное количество тепловых преобразователей энергии, превращают их в полезную работу. Эффективность преобразователей энергии, к которым относятся двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные, паротурбинные и другие энергетические установки, способна снизить не только экономические, но и экологические проблемы, что заставляет постоянно совершенствовать их конструкцию.

1.1 Схема паросилового цикла Ренкина с перегревом пара

Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом паросиловых установок, применяемой в современной теплоэнергетике. В качестве рабочего тела используется водяной пар. Перегретый пар с параметрами состояния точки 1() поступает в турбину Т, в которой, расширяясь, производит полезную работу. Полученная механическая работа турбины преобразуется генератором Г в электрическую энергию. Обработанный пар с параметрами состояния точки 2 или подается в конденсатор К, в котором конденсируется до состояния жидкости отдавая теплоту охлаждающей воде ОВ.

КА — котлоагретат (котел КО и пароперегреватель ПП);

Т — турбина;

Г — электрогенератор;

К — конденсатор;

ОВ — охлаждающая вода;

Н — насос.

паросиловой цикл ренкин энергия Из конденсатора жидкость (вода), с параметрами точки поступает в насос Н, который повышает ее давление и попадает в котлоагрегат КА с параметрами состояния точки 3 и За счет теплоты сгорания в топке котла топлива (угля, мазута или газа) к жидкости подводиться теплота и жидкость нагревается до состояния насыщения (точка 4) и кипит, превращаясь в пар (точка 5) в котле КО. Насыщенный водяной пар поступает в пароперегреватель ПП, где нагревается выше температуры насыщения при заданном давлении (точка) и направляется по паропроводу в турбину.

1.2 Термодинамические процессы

T-S диаграмма холодильного цикла

Термодинамический цикл этого теплового двигателя производится меду двумя изобарами — изобарой отвода тепла в конденсаторе (2'-2−2д)и и изобарой подвода тепла в котлоагрегате (3−3д-4−5-) как показано на рис. 2.

2. Задание на проектирование

Произвести расчет эффективности работы цикла Ренкина, рассчитать параметры состояния рабочего тела в различных точках цикла, определить потери энергии и работоспособности в реальных процессах рабочего тела и в элементах оборудования, а также всей установки в целом.

2.1 Данные для расчета

D=12 т/ч; P₁₀=10 МПа; t₁₀=550°C; з^ка=91%; з^т_oi=87%; з^н_oi=86%;з^пп=99%;з_м=99%;з^r =98%; P₂=0,004 МПа

2.2 Агрегатное состояние рабочего тела

Точка 1 — перегретый пар Точка 1 -сухой перегретый пар Точка 2 — влажный пар Точка — жидкость (вода) Точка — сухой насыщенный пар Точка 2_д — влажный пар Точка 3 — насыщенная жидкость Точка — нагретая жидкость Точка 4 — кипящая вода Точка 5 — сухой насыщенный пар

3. Расчет значений основных параметров состояния в характерных точках цикла

Точка 1

P₁=10,МПа

t₁= [(t-t)/(i-i)]*(i-i)+t

t₁=[(550−500)/(3500−3374)*(3466,34−3374)]=536,6, ⁰С

S₁=S=6,715, кДж/кгК

V₁=[(V₂ -V)/(i-i)]*(i-i)+V

V₁= [(0.3 561−0.3 277)/(3500−3374)]*(3466.34−3374)+0.3 277=0.3 485, м³/кг

S₁=[(S-S)/(i-i)]*(i-i)+S

S₁=[(6.757−6.598)/(3500−3374)]*(3466.34−3374)+6.598=6.715, кДж/кгК

Точка 2

P₂=0,004,МПа

t₂ получаем из таблицы 1(Приложение 3), при заданном давлении

t_{2 =}28,98, ⁰С

S₂=S₁=6,715, кДж/кгК

V₂=V*x+V* (1-x)

V₂= 34, 80 *078+121,4 * (1−0,78)=53,85, м³/кг

x= = (S-S)/(SS)= (6,715−0,4224)/(8,475−0,4224)=0,78

i₂=i*x+ i/ (1-x)

i₂ = 2554 *0,78+121,4(1−0,78)= 2018,8 кДж/кг

Точка 2

P_2д=0,004,МПа

i_2д=h^т (i₁-i₂)+i₁

i_2д=-0,87(3466,34−2018,8)+3466,34=2206,98, кДж/кг

t_2д=t=28.98 ⁰С

V_2д=[(V₂ -V)х]+V

V_2д=(34,80−0,1 004)0,86+0,1 004=29,92 810^-3, м³/кг

S_2д=(S)x+S

S_2д=(8,475−0,4224)0,86+0,4224=7,348, кДж/кгК

x= (i_2д -i)/(ii)=(2206,98−121,4)/(2554−121,4)=0,86

Точка 2

Параметры состояния рабочего тела в точках 2 , 2 находятся из таблиц насыщенного водяного пара (таблица 1 приложения) :

P=0,004,МПа

t=28,98,⁰С

V₂=0,1 004, м³/кг

i=121,4,кДж/кг

S=0,4224, кДж/кг

Точка 2

t=28.98, ⁰С

P=0.004, МПа

V=34.8010^-3, м³/кг

i=2554, кДж/кг

S=8.475, кДж/кгК

Точка 3

Параметры состояния жидкости после сжатия в насосе (точки 3 и 3) определяются по таблицам для воды и перегретого водяного пара (таблица 2 приложения):

По известному давлению P₃=10,МПа

i₃= [(i-i₁)/(S-S₁)]*(S-S₁) + i₁

i₃=[(1763−93,2)/(0,5682−0,2942)]*(0,4224−0,2942)+93,2=132,08, кДж/кг

t₃= [(t-t₁)/(S-S₁)]*(S-S₁) + t₁

t=[(40−20)/(0,5682−0,2942)]*(0,4224−0,2942)+20= 29,36, ⁰С

V₃=[(V-V₁)/(ii₁)]*(ii₁)+V₁10^-3, м³/кг

V= [(0,1 034−0,9 972)/(176,3−93,2)]*(132,08−93,2)+0,9 972= 0,10 001, м³/кг

S₃= S= 0, 4224, кДж/кгК

Точка 3

P₃=10, МПа

i₃=i+ [(i₃-i)/з]

i₃= 121, 4+[(132,8−121,4)/0,86]=133,82, кДж/кг

t₃= [(t-t₁)/ (ii₁)]*(i-i₁)+t₁

t= [(40−20)/ (176,3−93,2)]*(133,82- 93,2)+20= 29,78, ⁰С

V₃=[(V-V₁)/ (ii₁)]*(ii₁)+V₁

V= [(0,1 034−0,9 972)/(176,3−93,2)]*(133,82−93,2)+0,9 972= 0,10 001, м³/кг

S₃= [(S-S₁)/ (ii₁)]*(ii₁) +S₁

S₃= [(00,56−0,2942)/ (176,3−93,2)]*(133,82−93,2) +0,2942= 0,4281_, кДж/кг К

Точка 4

Параметры состояния точек 4 и 5 определяют по значению давления или температуры насыщения в них, (таблица 1 приложения)

t₄=584, 15, ⁰С

P₄=10, МПа

V₄=0, 1 453, м³/кг

i₄=1409, кДж/кг

S₄=3.362, кДж/кгК

Точка 5

t₅=584,15, ⁰С

P₅=10, МПа

V₅=0,1 800 м³/кг

i₅=2724, кДж/кг

S₅=5.614, кДж/кгК

Точка 10

Параметры перегретого пара в точке 10 определяются по тем же таблицам, по известным температуре и давлению :

t₁₀=550, ⁰С

P₆=10, МПа

V₁₀=0,3 561, м³/кг

S₁₀=6,757, кДж/кгК

i₁₀=3500, кДж/кг

4. Расчет потерь энергии (работоспособности) рабочего тела в процессах цикла (элементах установки)

Теплота, подводимая в котёл:

q=(i₁₀-i₃)=3500−133 082=3366,18 кДж/кг.

Теплота, отданная в конденсаторе:

q=i-i=2206.98−121.4=2085.58.кДж/кг.

Полезная внешняя работа теплового двигателя:

l=q- q=3366.18−2085.58=1280.6 кДж/кг.

Количество выделяющейся теплоты:

q= q/ з=3366.18/ 0,91= 3699,099, кДж/кг Эффективное КПД двигателя :

з= l/ q = 1280,6/ 3699,099 = 0,346

Эффективное абсолютное КПД двигателя:

з= l/ q= 1280,6 / 3366,18 = 0,380

Внутреннее относительное КПД комплекса «турбинанасос» :

з= l/ l= 0,89

Полезная работа теоретического цикла :

l=[(i-i)-(i-i)]=(3466,34−2018,8)-(132,08−121,4)=1436,14, кДж/кг Термический КПД теоретического цикла :

з= l/ q= 1436.14/ 3366.18= 0.4266

Эффективный КПД может быть представлен в виде :

з= з*з*з*з*з*з= 0,91*0,99*0,98*0,99*0,43*0,89*=0,335

Теплота, теряемая в котлоагрегате :

Дq= qq= 3699,099- 3366,18 =332,92, кДж/кг Теплота, теряемая в паропроводе:

q^пп_пот=[(i-i)= 3500−3466,34= 33,66,кДж/кг.

Теплота, превращенная в электроэнергию:

l = q* з= 3699,099*0,335=1239,198, кДж/кг Работа действительного цикла:

l= (i-i)-(i₃-i)=(3466,34−2206,98)-(133,82−121,4)=1246,94, кДж/кг Эффективная работа:

l= l* з= 1246,94 * 0,99= 1234,47, кДж/кг Потери механические в турбине:

Дl= l- l= 1246,94−1234,47= 12,47, кДж/кг

Дl= l*(1- з)= 1234,47 *(1−0,98)= 24,69, кДж/кг Уравнение теплового баланса паротурбинной установки:

q = l+ q+ Дl+ Дl+ Дq+ q^пп_пот

3699,099= 1239,198+2085,58+12,47+24,69+332,92+33,66

Диаграмма распределения потоков теплоты :

5. Эксергетический анализ исследуемого цикла

При анализе цикла Ренкина принимается, что P₀=10 МПа

T₀=293 K

Эксергия потока тепла

е = q (1-)= 3699,099(1-)= 3010,95, кДж/кг Работоспособность системы:

е= (i₃-i)-T( S₃— S₀) = (133,82−93,2)-293(0,4281−0,2942)= 1,387, кДж/кг

е=(ii) —T( S₁₀- S) = (3500−93,2)-293(6,757−0,2942)= 1513,2, кДж/кг Потери работоспособности в котлоагрегате:

Дl= е- е + е= 1,387−1513,2+3010,95= 1499,137, кДж/кг Потери работоспособности в паропроводе:

Дl= ее=[ (ii) —T( S₁₀- S)] -[(ii) —T( S₁- S)]= [1513,2]-[(3466,34−93,2)-293(6,715−0,2942)]=21,354, кДж/кг Потери работоспособности в турбине :

Дl = (е-е) -l

Эксергия отработавшего пара из турбины:

е= (ii) — T( S_2д- S)=(2206,98−93,2)-293(7,348−0,2942)=47,017, кДж/кг

Дl = (1491,846−47,017)-1234,47=210,359, кДж/кг Потери эксергии в конденсаторе:

Дl= е- е= е— [(ii) — T( S₂- S)]= 47,017-[(121,4−93,2)-293(0,4224−0,2942)]=47,017+9,363=56,38, кДж/кг Потери работоспособности в насосе :

Дl= (е- е) — l= [е-[(ii) — T(SS)]]- l

Действительная работа насоса:

l= (i₃ -i)= 133,82−121,4=12,42

Дl= [-9,363-((133,82−93,2)-293(0,4224−0,2942))]+ 12,42=1,6, кДж/кг Уравнение эксергетического баланса:

е= l+ Дl+Дl+ Дl + Дl+ Дl

3010,95= 1239,138+1499,137+21,354+210,359+56,3796+1,67, кДж/кг Удельный расход пара :

d = 1/ l= 1/1234,47 = 0,81кг/кДж

Удельный расход теплоты :

q = (BQ)/N, В==

Количество электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором в течении 1 часа:

N= l*D = 1234,47*3,3= 4114,9, кДж/с Удельный расход теплоты:

q = (BQ)/N = (0,161*23 000)/4114,9 = 0,8999, кДж Мощность установки действительного цикла:

N=l*D =1239,198*3,3= 4089,35, кВт Диаграмма потоков эксергии :

6. Вывод

В ходе расчёта курсовой работы был произведен анализ эффективности работы паросилового цикла Ренкина, были рассчитаны параметры состояния рабочего тела в различных точках цикла, определены потери энергии и работоспособности в реальных процессах рабочего тела и в элементах оборудования цикла, а также установки в целом. На основании полученных данных были построены Т-s и i-s диаграммы паросилового цикла Ренкина, а также энергетическая и эксергетическая диаграммы. По рассчитанной полезной работе (l=1280.6кДж/кг) и заданному расходу пара (D=12, т/ч) были определены мощность паросиловой установки(N=4089.4кВт) и удельный расход пара на единицу мощности (d=0.81кг/кДж). Исходя из эффективности работы реального паросилового цикла оценивается эффективное КПД установки (з_е=0,335).

паросиловой цикл ренкин энергия

1. Мазур Л. С. Техническая термодинамика и теплотехника: Учебник.-М.: ГЭОТАР — МЕД, 2003.-352с.

2. Расчет циклов тепловых и холодильных машин. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника» для студентов специальностей 240 401, 240 301,240403, 240 502″ очной и заочной формы обучения:-Кемерово.2007.